CN112750941A - 压电薄膜元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电薄膜元件，所述压电薄膜元件具备第一电极层和压电薄膜，第一电极层包含具有晶体结构的金属Me，压电薄膜包含具有纤锌矿型结构的氮化铝，氮化铝包含二价元素Md以及四价元素Mt，[Al]是氮化铝中的Al的含量，[Md]是氮化铝中的Md的含量，[Mt]是氮化铝中的Mt的含量，([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36原子％以上且70原子％以下，LALN是平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面的方向上的氮化铝的晶格长度，LMETAL是上述方向上的Me的晶格长度，LALN比LMETAL长。

Description

压电薄膜元件
技术领域
本发明涉及一种压电薄膜元件(piezoelectric thin film device)。
背景技术
近年来，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)受到关注。MEMS(微机电***)是通过微细加工技术将机械要素部件以及电子电路等集成于一个基板上的设备。在具有传感器、滤波器、收集器、或者致动器等的功能的MEMS中，使用压电薄膜。在使用了压电薄膜的MEMS的制造中，在硅或蓝宝石等的基板上层叠下部电极层、压电薄膜、以及上部电极层。接着，通过经由微细加工、图案化、或者蚀刻等的后续工序，从而获得具有任意的特性的MEMS。通过选择压电性优异的压电薄膜，能够提高MEMS等的压电薄膜元件的特性，并且能够使压电薄膜元件小型化。压电薄膜的压电性例如基于正压电常数(压电应变常数)d以及压电输出系数g来评价。g等于d/ε0εr。ε0是真空的介电常数，εr是压电薄膜的相对介电常数。通过增大d和g，从而压电薄膜元件的特性提高。
作为构成压电薄膜的压电组合物，例如，已知有Pb(Zr,Ti)O3(锆钛酸铅，简称：PZT)、LiNbO3(铌酸锂)、AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)以及CdS(硫化镉)等。
PZT和LiNbO3具有钙钛矿型结构。具有钙钛矿型结构的压电薄膜的d比较大。然而，在压电薄膜具有钙钛矿型结构的情况下，随着压电薄膜的厚度的减小，d容易减小。因此，具有钙钛矿型结构的压电薄膜不适合微细加工。另外，由于具有钙钛矿型结构的压电薄膜的εr比较大，因此，具有钙钛矿型结构的压电薄膜的g存在比较小的倾向。
另一方面，AlN、ZnO以及CdS具有纤锌矿型结构。具有纤锌矿型结构的压电薄膜的d比具有钙钛矿结构的压电薄膜的d小。但是，由于具有纤锌矿型结构的压电薄膜的εr比较小，因此，具有纤锌矿结构的压电薄膜与具有钙钛矿结构的压电薄膜相比，可能具有较大的g。因此，对于需要大的g的压电薄膜元件来说，具有纤锌矿型结构的压电组合物是有前途的材料。(参照国际公开第2016/111280号小册子。)
发明内容
在包含AlN的压电薄膜形成于由金属构成的电极层的表面的情况下，与电极层的表面大致平行的拉应力(tensile stress)容易产生于压电薄膜内。由于拉应力，容易发生压电薄膜的自发性破坏。例如，由于拉应力，沿着与电极层的表面大致垂直的方向，裂缝(crack)容易形成于压电薄膜。另外，由于拉应力，压电薄膜容易从电极层剥离。由于这样的压电薄膜的破坏，压电薄膜的压电性和绝缘性劣化，压电薄膜元件的合格率(yield rate)会降低。
本发明的目的在于提供一种抑制压电薄膜的破坏的压电薄膜元件。
本发明的一个方面所涉及的压电薄膜元件具备：第一电极层；以及压电薄膜，其直接重叠于第一电极层，第一电极层包含具有晶体结构的金属Me，压电薄膜包含具有纤锌矿型结构(wurtzite structure)的氮化铝，氮化铝包含二价(divalent)的金属元素Md和四价(tetravalent)的金属元素Mt，[Al]是氮化铝中的铝的含量，[Md]是氮化铝中的金属元素Md的总含量，[Mt]是氮化铝中的金属元素Mt的总含量，([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36原子％以上且70原子％以下，LALN是大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面的方向上的氮化铝的晶格长度，LMETAL是大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面的方向上的金属Me的晶格长度，LALN比LMETAL长。
金属Me的晶体结构可以是面心立方晶格结构(face-centered cubic structure，fcc structure)、体心立方晶格结构(bоdy-centered cubic structure，bcc structure)、或者六方最密堆积结构(hexagonal close-packed structure，hcp structure)。
纤锌矿型结构的(001)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，金属Me的晶体结构可以是面心立方晶格结构，面心立方晶格结构的(111)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔，aF是面心立方晶格结构的晶格常数，LALN可以表示为31/2×aW，LMETAL可以表示为21/2×aF。
纤锌矿型结构的(001)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，金属Me的晶体结构可以是体心立方晶格结构，体心立方晶格结构的(110)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔，aB是体心立方晶格结构的晶格常数，LALN可以表示为71/2×aW，并且LMETAL可以表示为2×21/2×aB。或者，LALN可以表示为31/2×aW，并且LMETAL可以表示为2×aB。
纤锌矿型结构的(001)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，金属Me的晶体结构可以是六方最密堆积结构，六方最密堆积结构的(001)面可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔，aH是六方最密堆积结构的(001)面内的金属Me的最小间隔，LALN可以等于aW，并且LMETAL可以等于aH。或者，LALN可以表示为31/2×aW，并且LMETAL可以表示为2×aH。
氮化铝可以至少包含镁作为金属元素Md，氮化铝可以包含选自锆、铪和钛中的至少一种元素作为金属元素Mt。
晶格失配度ΔL可以定义为(LALN-LMETAL)/LMETAL，晶格失配度ΔL可以大于0％且为8％以下。
在压电薄膜中可以产生压应力(compressive stress)，压应力可以大致平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面，压应力可以大于0MPa且为1500MPa以下。
压电薄膜元件还可以具备与压电薄膜重叠的第二电极层，压电薄膜可以位于第一电极层与第二电极层之间。
根据本发明，可以提供一种抑制压电薄膜的破坏的压电薄膜元件。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜元件的示意性立体图。
图2是纤锌矿型结构(氮化铝)的晶胞的立体图。
图3示出图2中的纤锌矿型结构的基本矢量。
图4是面心立方晶格结构(金属Me)的晶胞的立体图。
图5的A示出图2和图3中的纤锌矿型结构的(001)面和晶格长度LALN，图5的B示出图4中的面心立方晶格结构的(111)面和晶格长度LMETAL。
图6是体心立方晶格结构(金属Me)的晶胞的立体图。
图7A示出图2和图3中的纤锌矿型结构的(001)面和晶格长度LALN，图7B示出图6中的体心立方晶格结构的(110)面和晶格长度LMETAL。
图8是六方最密堆积结构(金属Me)的晶胞的立体图。
图9A示出图2和图3中的纤锌矿型结构的(001)面和晶格长度LALN，图9B示出图8中的六方最密堆积结构的(001)面和晶格长度LMETAL。
图10A是在压电薄膜中产生拉应力的压电薄膜元件的示意性截面，该截面大致垂直于第一电极层的表面，图10B是在压电薄膜中产生压应力的压电薄膜元件的示意性截面，该截面大致垂直于第一电极层的表面。
图11是本发明的其它的实施方式所涉及的压电薄膜元件的示意性截面，该截面大致垂直于第一电极层的表面。
符号的说明：
1…基板；2…压电薄膜；2s…压电薄膜的表面；4…第一电极层；4s…第一电极层的与压电薄膜相接的表面；8…粘着层；9…裂缝；10、10a…压电薄膜元件；Al…铝；12…第二电极层；LALN…氮化铝的晶格长度；LMETAL…金属Me的晶格长度；Md…二价的金属元素；Mt…四价的金属元素；ucb…体心立方晶格结构的晶胞；ucf…面心立方晶格结构的晶胞；uch…六方最密堆积结构的晶胞；ucw…纤锌矿型结构的晶胞。
具体实施方式
在下文中，根据情况一边参照附图，一边说明本发明的优选的实施方式。本发明不限于下述实施方式。在各图中，对相同或同等的构成要素赋予相同的符号。各图所示的X、Y和Z是指相互正交的三个坐标轴。
如图1所示，本实施方式所涉及的压电薄膜元件10具备第一电极层4以及直接重叠于第一电极层4的表面4s的压电薄膜2。压电薄膜2的表面2s可以大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s。换而言之，压电薄膜2的表面2s的法线方向dn可以与第一电极层4的表面4s的法线方向DN大致平行。法线方向DN可以另称为第一电极层4的厚度方向(Z轴方向)。法线方向dn可以另称为压电薄膜2的厚度方向(Z轴方向)。压电薄膜2可以覆盖第一电极层4的表面4s的一部分或整体。压电薄膜元件10可以进一步具备与压电薄膜2重叠的第二电极层，压电薄膜2可以位于第一电极层4与第二电极层之间。例如如图11所示，压电薄膜元件10a可以具备：基板1；直接重叠于基板1的粘着层8；直接重叠于粘着层8的第一电极层4；直接重叠于第一电极层4的压电薄膜2；以及直接重叠于压电薄膜2的第二电极层12。第一电极层4可以另称为下部电极层。第二电极层12可以另称为上部电极层。压电薄膜元件10a也可以不具备第二电极层12。例如，不具备第二电极层的压电薄膜元件作为制品被供给到电子设备的制造商之后，在电子设备的制造过程中，第二电极层可以被附加于压电薄膜元件。
压电薄膜2包含氮化铝(AlN)。AlN具有六方晶系的纤锌矿型结构。图2和图3示出纤锌矿型结构的晶胞(unit cell)ucw。晶胞ucw是正六棱柱。图3中的a、b和c分别是纤锌矿型结构的基本矢量。在图3中，为了表示a、b和c，省略了氮(N)。a所指的晶向为[100]。b所指的晶向为[010]。c所指的晶向为[001]。a和b属于同一晶面。a和b所成的角为120°。c分别垂直于a和b。图3中的aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔。aW可以另称为位于纤锌矿型结构的(001)面内的铝(Al)的最小间隔。aW可以另称为纤锌矿型结构的基本矢量a的长度。aW可以另称为纤锌矿型结构的a轴方向的晶格常数。aW例如可以为0.311nm以上且0.392nm以下。纤锌矿型结构的基本矢量c的长度可以表示为cW。cW可以另称为纤锌矿型结构的c轴方向的晶格常数。cW可以另称为纤锌矿型结构的(001)面的间隔。cW例如可以为0.498nm以上且0.549nm以下。cW/aW例如可以为1.40以上且1.60以下。纤锌矿型结构的晶胞ucw中的任意的位置或方向可以用下述数学式w所定义的矢量w(xyz)来表示。例如，w(xyz)可以表示构成纤锌矿型结构的元素的位置。
w(xyz)＝xa+yb+zc (数学式w)
数学式w中的x、y和z分别为任意的实数。数学式w中的a、b和c分别为上述的基本矢量。
氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面可以大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s。换而言之，氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面可以在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。纤锌矿型结构的(001)面相当于晶胞ucw中的正六边形形状的晶面。在压电薄膜2包含多个AlN晶粒(crystalline grain)的情况下，一部分或全部晶粒的(001)面可以大致平行于第一电极层4的表面4s。换而言之，一部分或全部晶粒的(001)面可以在第一电极层4的表面的法线方向DN上取向。AlN的晶粒例如可以是沿第一电极层4的表面4s的法线方向DN延伸的柱状晶体。
氮化铝的表现出压电性的晶向是纤锌矿型结构的[001]。因此，由于纤锌矿型结构的(001)面大致平行于第一电极层4的表面4s，因此，压电薄膜2可以具有优异的压电性。出于相同的原因，氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面可以大致平行于压电薄膜2的表面2s。换而言之，氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面可以在压电薄膜2的表面2s的法线方向dn上取向。
AlN包含二价的金属元素Md以及四价的金属元素Mt。换而言之，纤锌矿型结构的晶胞ucw中的一部分的Al被Md或Mt取代。压电薄膜2可以仅由包含Md和Mt的AlN构成。即，压电薄膜2可以仅由Al、N、Md以及Mt构成。
通过将Md和Mt掺杂(dope)于AlN，氮化铝的纤锌矿型结构会变形或纤锌矿型结构中的原子间的化学键的强度会发生变化。由于这些原因，容易提高压电薄膜2的压电性。另外，通过将Md和Mt掺杂于AlN，晶胞ucw的体积增加，并且氮化铝的晶格长度LALN增加。LALN的详情在后详述。
第一电极层4包含具有晶体结构的金属Me。第一电极层4可以仅由金属Me构成。金属Me可以是金属单质(simple substanceоf a metal)。金属Me可以是合金。即，第一电极层4可以包含至少两种金属元素作为金属Me。金属Me的晶体结构可以是面心立方晶格结构、体心立方晶格结构、或者六方最密堆积结构。
LALN是大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s的方向上的氮化铝的晶格长度。LMETAL是大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s的方向上的金属Me的晶格长度。LALN比LMETAL长。
由于压电薄膜2部分外延地(epitaxial)形成于第一电极层4的表面4s，因此，压电薄膜2的纤锌矿型结构受到第一电极层4的晶体结构的影响。并且，在LALN比LMETAL短的情况下，在压电薄膜2与第一电极层4的界面处，产生使纤锌矿型结构在面内方向上扩张的应力。其结果，如图10A所示，大致平行于第一电极层4的表面4s的拉应力(tensile stress)在压电薄膜2内产生。即，由于压电薄膜2与第一电极层4之间的晶格失配，因此，拉应力被施加到压电薄膜2。由于拉应力，压电薄膜2容易在大致平行于第一电极层4的表面4s的方向上断裂。例如，由于拉应力，沿与第一电极层4的表面4s大致垂直的方向，裂缝9容易形成于压电薄膜2。即，由于拉应力，容易发生压电薄膜2的自发性破坏。由于压电薄膜2的自发性破坏，压电薄膜2的压电性和绝缘性劣化，压电薄膜元件的合格率会降低。相反地，在LALN比LMETAL长的情况下，在压电薄膜2与第一电极层4的界面处，产生使纤锌矿型结构在面内方向上收缩的应力。其结果，如图10B所示，大致平行于第一电极层4的表面4s的压应力(compressivestress)在压电薄膜2内产生。即，由于压电薄膜2与第一电极层4之间的晶格失配，压应力被施加于压电薄膜2。由于压应力，压电薄膜2难以在大致平行于第一电极层4的表面4s的方向上断裂。例如，由于压应力，沿与第一电极层4的表面4s大致垂直的方向，裂缝9难以形成于压电薄膜2。即，由于压应力，抑制压电薄膜2的自发性破坏。由于抑制压电薄膜2的自发性破坏，压电薄膜2的压电性和绝缘性提高，压电薄膜元件的合格率提高。由于与上述相同的原因，还能抑制本实施方式所涉及的压电薄膜元件10的制造过程(加工过程)中的压电薄膜2的破坏。
[Al]是氮化铝中的Al的含量。[Md]是氮化铝中的Md的总含量。[Mt]是氮化铝中的Mt的总含量。[Al]、[Md]和[Mt]各自的单位为原子％。([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36原子％以上且70原子％以下。即，100×([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36以上且70以下。
通过调整([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])，可以控制纤锌矿型结构的晶格常数aW和晶格长度LALN。可以基于Md和Mt的种类来控制纤锌矿型结构的晶格常数aW和晶格长度LALN。由于([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36原子％以上，纤锌矿型结构的晶胞ucw的体积充分地增加，并且氮化铝的晶格长度LALN充分地增加。其结果，容易将LALN控制为比LMETAL长的值。在([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])大于70原子％的情况下，纤锌矿型结构会过度地变形，纤锌矿型结构容易被损坏，且压电薄膜2的压电性会劣化。在([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为上述的范围内的情况下，容易使适度变形的纤锌矿型结构稳定化。由于上述的原因，([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])可以为36原子％以上且65原子％以下，或者36原子％以上且60原子％以下。
[Md]/[Mt]可以大致为1.0。即，[Md]可以与[Mt]大致相等。在[Md]与[Mt]相等的情况下，Md和Mt的化合价的平均值是三价，并且与Al的化合价相等。其结果，在氮化铝中，Al、Md和Mt的价电子的总数容易与N的价电子总数保持平衡，并且氮化铝的纤锌矿型结构易于稳定化。然而，只要不过度地损害氮化铝的纤锌矿型结构以及压电性，[Md]也可以不与[Mt]相等。在[Md]不与[Mt]相等的情况下，可以以Al、Md和Mt的价电子的总数与N的价电子总数保持平衡的方式，调整氮化铝中的Al、Md、Mt以及N各自的含量。
压电薄膜2中所包含的氮化铝可以由下述化学式A表示。
Al{1-(α+β)}MdαMtβN (A)
α和β分别可以为正的实数，并且α+β可以为0.36以上且0.70以下，并且α/β可以大致为1.0。
如以下所说明的，LALN和LMETAL分别可以根据金属Me的晶体结构来定义。
金属Me的晶体结构可以是面心立方晶格结构(fcc结构)。图4示出金属Me的fcc结构的晶胞ucf。晶胞ucf是立方体。图4中的a1、b1和c1分别是fcc结构的基本矢量。a1所指的晶向为[100]。b1所指的晶向为[010]。c1所指的晶向为[001]。a1、b1和c1相互垂直。a1、b1和c1各自的长度等于晶格常数aF。即，a1、b1和c1各自的长度相互相等。fcc结构的晶胞ucf中的任意的位置或者方向可以用下述数学式f所定义的矢量f(xyz)表示。例如，f(xyz)可以表示构成fcc结构的金属元素(Me)的位置。
f(xyz)＝xa1+yb1+zc1 (数学式f)
数学式f中的x、y和z分别为任意的实数。数学式f中的a1、b1和c1分别为fcc结构的基本矢量。
fcc结构的(111)面可以大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s。即，fcc结构的(111)面可以在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。其结果，氮化铝(压电薄膜2)的纤锌矿型结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。因此，氮化铝(压电薄膜2)的纤锌矿型结构的(001)面可以与金属Me(第一电极层4)的fcc结构的(111)面大致平行。图5的A是氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面。图5的B是金属Me的fcc结构的(111)面。在金属Me的晶体结构是fcc结构的情况下，如图5的A所示，氮化铝的晶格长度LALN表示为31/2×aW。即，基于余弦定理，LALN 2等于aW 2+aW 2-2×aW×aW×cos120°。如上所述，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔。如图4和图5的B所示，金属Me的fcc结构的晶格长度LMETAL表示为21/2×aF。即，基于余弦定理，LMETAL 2等于aF 2+aF 2-2×aF×aF×cos90°。如上所述，aF是金属Me的fcc结构的晶格常数。
如上所述，在金属Me的晶体结构是fcc结构的情况下，LALN可以是31/2×aW，LMETAL可以是21/2×aF，并且31/2×aW可以比21/2×aF长。当基于纤锌矿型结构的矢量w(xyz)时，31/2×aW(即，LALN)的方向与w(100)-w(010)平行。当基于fcc结构的矢量f(xyz)时，21/2×aF(即，LMETAL)的方向与f(100)-f(010)平行。纤锌矿型结构的(001)面内的矢量，即w(100)-w(010)可以与fcc结构的(111)面内的矢量，即f(100)-f(010)大致平行。换而言之，纤锌矿型结构的(001)面内的矢量，即w(1 -1 0)可以与fcc结构的(111)面内的矢量，即f(1 -1 0)大致平行。
金属Me的晶体结构可以是体心立方晶格结构(bcc结构)。图6示出金属Me的bcc结构的晶胞ucb。晶胞ucb是立方体。图6中的a2、b2和c2分别是bcc结构的基本矢量。a2所指的晶向为[100]。b2所指的晶向为[010]。c2所指的晶向为[001]。a2、b2和c2相互垂直。a2、b2和c2各自的长度等于晶格常数aB。即，a2、b2和c2各自的长度相互相等。bcc结构的晶胞ucb中的任意的位置或者方向可以用下述数学式b所定义的矢量b(xyz)表示。例如，b(xyz)可以表示构成bcc结构的金属元素(Me)的位置。
b(xyz)＝xa2+yb2+zc2 (数学式b)
数学式b中的x、y和z分别为任意的实数。数学式b中的a2、b2和c2分别为bcc结构的基本矢量。
bcc结构的(110)面可以大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s。即，bcc结构的(110)面可以在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。其结果，氮化铝(压电薄膜2)的纤锌矿型结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。因此，氮化铝(压电薄膜2)的纤锌矿型结构的(001)面可以与金属Me(第一电极层4)的bcc结构的(110)面大致平行。图7A是氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面。图7B是金属Me的bcc结构的(110)面。在金属Me的晶体结构是bcc结构的情况下，如图7A所示，氮化铝的晶格长度LALN表示为71/2×aW。即，基于余弦定理，LALN 2等于aW 2+(2aW)2-2×aW×2aW×cos120°。如上所述，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔。如图6和图7B所示，金属Me的bcc结构的晶格长度LMETAL表示为2×21/2×aB。如上所述，aB是金属Me的bcc结构的晶格常数。
如上所述，在金属Me的晶体结构是bcc结构的情况下，LALN可以是71/2×aW，LMETAL可以是2×21/2×aB，并且71/2×aW可以比2×21/2×aB长。当基于纤锌矿型结构的矢量w(xyz)时，71/2×aW(即，LALN)的方向与w(100)-w(-110)平行。当基于bcc结构的矢量b(xyz)时，21/2×aF(即，LMETAL)的方向与b(100)-b(010)平行。纤锌矿型结构的(001)面内的矢量，即w(100)-w(-110)可以与bcc结构的(110)面内的矢量，即b(100)-b(010)大致平行。换而言之，纤锌矿型结构的(001)面内的矢量，即w(2 -1 0)可以与bcc结构的(110)面内的矢量，即b(1 -1 0)大致平行。在金属Me的晶体结构是bcc结构时，LALN可以是31/2×aW，LMETAL可以是2×aB，并且31/2×aW可以比2×aB长。
金属Me的晶体结构可以是六方最密堆积结构(hcp结构)。图8示出金属Me的hcp结构的晶胞uch。晶胞uch是正六棱柱。图8中的a3、b3和c3分别是hcp结构的基本矢量。a3所指的晶向为[100]。b3所指的晶向为[010]。c3所指的晶向为[001]。a3和b3属于相同的晶面。a3和b3所成的角为120°。c3分别垂直于a3和b3。图8中的aH是hcp结构的(001)面内的金属Me的最小间隔。aH可以另称为位于hcp结构的基本矢量a3的长度。aH可以另称为hcp结构的a轴方向的晶格常数。hcp结构的晶胞ucf中的任意的位置或方向可以用下述数学式h所定义的矢量h(xyz)来表示。例如，h(xyz)可以表示构成hcp结构的金属元素(Me)的位置。
h(xyz)＝xa3+yb3+zc3 (数学式h)
数学式h中的x、y和z分别为任意的实数。数学式h中的a3、b3和c3分别为hcp结构的基本矢量。
hcp结构的(001)面可以大致平行于第一电极层4的与压电薄膜2相接的表面4s。即，hcp结构的(001)面可以在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。其结果，氮化铝(压电薄膜2)的纤锌矿型结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。因此，氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面可以与金属Me(第一电极层4)的hcp结构的(001)面大致平行。图9A是氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面。图9B是金属Me的hcp结构的(001)面。在金属Me的晶体结构是hcp结构的情况下，如图9A所示，氮化铝的晶格长度LALN等于aW。如上所述，aW是纤锌矿型结构的(001)面内的元素的最小间隔。如图8和图9B所示，金属Me的hcp结构的晶格长度LMETAL等于aH。如上所述，aH是hcp结构的(001)面内的金属Me的最小间隔。
如上所述，在金属Me的晶体结构是hcp结构的情况下，LALN可以是aW，LMETAL可以是aH，并且aW可以比aH长。当基于纤锌矿型结构的矢量w(xyz)时，aW(即，LALN)的方向与w(010)平行。当基于hcp结构的矢量h(xyz)时，aH(即，LMETAL)的方向与h(010)平行。纤锌矿型结构的(001)面内的矢量，即w(010)可以与hcp结构的(001)面内的矢量，即h(010)大致平行。在金属Me的晶体结构是hcp结构的情况下，LALN可以是31/2×aW，LMETAL可以是2×aH，并且31/2×aW也可以比2×aH长。
晶格失配度ΔL可以被定义为(LALN-LMETAL)/LMETAL。即，ΔL可以是第一电极层4与压电薄膜2之间的晶格失配度。ΔL可以大于0％且为8.0％以下。即，100×(LALN-LMETAL)/LMETAL可以大于0且为8.0以下。通过将ΔL调整为上述范围内的值，容易将压电薄膜2的压应力控制为期望的值。另外，通过将ΔL调整为上述范围内的值，氮化铝的纤锌矿型结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向，并且压电薄膜2的压电性容易提高。出于相同的原因，ΔL可以为0.1％以上且7.0％以下、0.4％以上且7.0％以下、0.8％以上且7.0％以下、1.0％以上且7.0％以下，或者3.0％以上且6.3％以下。LMETAL是根据金属Me的组成以及晶体结构唯一确定的值。因此，ΔL可以通过LALN的调整来控制。
LALN可以基于aW的测量值来计算。LMETAL可以基于aF、aB或aH的测量值来计算。aW、aF、aB和aH可以通过X射线衍射(XRD)法来测量。aW、aF、aB和aH可以在室温(例如5～35℃)的气氛下来测量。金属Me的晶体结构也可以通过XRD法来确定。
在压电薄膜2中产生的压应力可以大于0MPa且为1500MPa以下。如上所述，压应力可以大致平行于第一电极层4的表面4s。在压应力在上述范围内的情况下，容易抑制压电薄膜2的自发性破坏。出于相同的原因，在压电薄膜2中产生的压应力可以为50MPa以上且1000MPa以下、182MPa以上且822MPa以下、288MPa以上且822MPa以下，或者392MPa以上且822MPa以下。
氮化铝中所包含的二价的金属元素Md可以是选自镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)中的至少一种。AlN中所包含的四价的金属元素Mt可以是选自锗(Ge)、钛(Ti)、锆(Zr)和铪(Hf)中的至少一种。氮化铝优选至少包含镁作为Md，并且包含选自锆、铪和钛中的至少一种元素作为Mt。其结果，容易抑制压电薄膜2的自发性破坏，并且容易提高压电薄膜2的压电性。
只要不损害压电薄膜2的纤锌矿型结构以及压电性，压电薄膜2除了Al、N、Md和Mt之外，还可以进一步包含其它的元素。例如，压电薄膜2可以进一步包含选自一价(monovalent)的金属元素Mm、三价(trivalent)的金属元素Mtr、以及五价(pentavalent)的金属元素Mp中的至少一种元素。一价的金属元素Mm可以是选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)中的至少一种元素。三价的金属元素Mtr可以是选自Sc(钪)、Y(钇)、镧系元素以及In(铟)中的至少一种元素。五价的金属元素Mp可以是选自Cr(铬)、V(钒)、Nb(铌)和Ta(钽)中的至少一种元素。氮化铝中的Mm的总含量可以表示为[Mm]原子％。氮化铝中的Mp的总含量可以表示为[Mp]原子％。[Mm]/[Mp]可以大致为1.0。
第一电极层4的表面4s的法线方向DN上的压电薄膜2的厚度例如可以为0.1μm以上且30μm以下。压电薄膜2的厚度可以大致均匀。
如上所述，压电薄膜元件10a可以具备：基板1；直接重叠于基板1的粘着层8；直接重叠于粘着层8的第一电极层4；直接重叠于第一电极层4的压电薄膜2；以及直接重叠于压电薄膜2的第二电极层12。
基板1例如可以是半导体基板(硅基板、或砷化镓基板等)、光学晶体基板(蓝宝石基板等)、绝缘体基板(玻璃基板或陶瓷基板等)、或者金属基板(不锈钢板等)。
第一电极层4中所包含的金属Me可以是选自Pt(铂)、Ir(铱)、Au(金)、Rh(铑)、Pd(钯)、Ag(银)、Ni(镍)、Cu(铜)、Al(铝)、Mo(钼)、W(钨)、V(钒)、Cr(铬)、Nb(铌)、Ta(钽)、Ru(钌)、Zr(锆)、Hf(铪)、Ti(钛)、Y(钇)、Sc(钪)和Mg(镁)中的至少一种元素。第一电极层4可以是包含选自上述元素中的至少两种元素作为金属Me的合金。第一电极层4也可以是金属Me的单质(simple substance)。在金属Me是选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu和Al中的至少一种元素的情况下，金属Me容易具有fcc结构，并且fcc结构的(111)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。在金属Me是选自Mo、W、V、Cr、Nb和Ta中的至少一种元素的情况下，金属Me容易具有bcc结构，并且bcc结构的(110)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。在金属Me是选自Ru、Zr、Hf、Ti、Y、Sc和Mg中的至少一种元素的情况下，金属Me容易具有hcp结构，并且hcp结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。
第一电极层4可以直接层叠于基板1的表面。粘着层8也可以介于第一电极层4与基板1之间。粘着层8可以是选自Al(铝)、Si(硅)、Ti(钛)、Zn(锌)、Y(钇)、Zr(锆)、Cr(铬)、Nb(铌)、Mo(钼)、Hf(铪)、Ta(钽)、W(钨)和Ce(铈)中的至少一种。粘着层8可以是金属单质、合金或化合物(氧化物等)。粘着层8也可以由其它的压电薄膜、聚合物或陶瓷构成。由于粘着层8的介入，第一电极层4的fcc结构的(111)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。或者，由于粘着层8的介入，第一电极层4的bcc结构的(110)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。或者，由于粘着层8的介入，第一电极层4的hcp结构的(001)面容易在第一电极层4的表面4s的法线方向DN上取向。粘着层8还具有抑制由于机械性冲击等引起的第一电极层4的剥离的功能。粘着层8可以另称为界面层、支撑层、缓冲层或者中间层。
第二电极层12可以包含选自Pt、Ir、Au、Rh、Pd、Ag、Ni、Cu、Al、Mo、W、V、Cr、Nb、Ta、Ru、Zr、Hf、Ti、Y、Sc和Mg中的至少一种元素。第二电极层12可以是包含选自上述的元素中的至少两种元素的合金。第二电极层12也可以是金属单质。
基板1的厚度例如可以为50μm以上且10000μm以下。粘着层8的厚度例如可以为0.003μm以上且1μm以下。第一电极层4的厚度例如可以为0.01μm以上且1μm以下。第二电极层12的厚度例如可以为0.01μm以上且1μm以下。
粘着层8、第一电极层4、压电薄膜2和第二电极层12分别可以通过使用了至少一种靶材的溅射，按照层叠顺序形成。通过使用了多个靶材的溅射(co-sputtering、或multi-sputtering)，可以分别形成粘着层8、第一电极层4、压电薄膜2和第二电极层12。靶材可以包含构成各层或压电薄膜的元素中的至少一种。通过选定并组合具有规定的组成的靶材，可以分别形成具有目标的组成的各层和压电薄膜2。靶材例如可以是金属单质、合金或氧化物。溅射的气氛的组成影响各层和压电薄膜2各自的组成。用于形成压电薄膜2的溅射的气氛例如可以是氮气。用于形成压电薄膜2的溅射的气氛也可以是包含稀有气体(例如，氩气)和氮气的混合气体。赋予各靶材的输入功率(电力密度)是各层和压电薄膜2各自的组成和厚度的控制因子。溅射的气氛的总压、气氛中的原料气体(例如，氮气)的分压或浓度、各靶材的溅射的持续时间、形成压电薄膜的基板表面的温度、以及基板偏压等也是各层和压电薄膜2各自的组成和厚度的控制因子。通过蚀刻(例如，等离子体蚀刻)，可以形成具有期望的形状或图案的压电薄膜。
压电薄膜2的制膜温度例如可以为300℃以上且500℃以下。压电薄膜2的制膜温度可以另称为压电薄膜2的形成过程中的第一电极层4的温度。第一电极层4中的金属Me的热膨胀率具有比压电薄膜2中的氮化铝的热膨胀率大的倾向。并且，在压电薄膜2的制膜温度为300℃以上的情况下，在压电薄膜2的形成过程中，第一电极层4比压电薄膜2更容易显著地膨胀。并且，在压电薄膜2形成之后，在第一电极层4和压电薄膜2各自的温度降低的过程中，第一电极层4比压电薄膜2更容易显著地收缩。由于压电薄膜2和第一电极层4经过上述一系列的过程，从而LALN容易被控制为比LMETAL大的值。
粘着层8、第一电极层4、压电薄膜2和第二电极层12各自的晶体结构可以通过X射线衍射(XRD)法来特定。各层和压电薄膜2的组成可以通过荧光X射线分析法(XRF法)、能量色散型X射线分析法(EDX)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)、以及电子束微分析仪(EPMA)中的至少任一种分析方法来特定。粘着层8、第一电极层4、压电薄膜2和第二电极层12各自的厚度可以在与第一电极层4的表面4s的法线方向DN平行的压电薄膜元件10a的截面中，通过扫描型电子显微镜(SEM)来测量。
本实施方式所涉及的压电薄膜元件的用途有多种。压电薄膜元件例如可以是压电麦克风、收集器、振荡器、谐振器、或者音响多层膜。压电薄膜元件例如也可以是压电致动器。压电致动器可以用于触觉(haptics)。即，压电致动器可以用于需要通过皮肤感觉(触觉)进行反馈的各种设备中。需要通过皮肤感觉进行反馈的设备例如可以是可穿戴设备、触摸板、显示器、或者游戏控制器。压电致动器例如可以用于磁头组件、磁头堆叠组件、或者硬盘驱动器。压电致动器例如也可以用于打印机头、或者喷墨打印装置。压电致动器也可以用于压电开关。压电薄膜元件例如也可以是压电传感器。压电传感器例如可以用于陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏波传感器、超声传感器、PMUT(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer(压电微机械超声传感器))等的超声换能器、或者冲击传感器。上述的各压电薄膜元件可以是MEMS的一部分或全部。
实施例
在下文中，通过实施例和比较例，对本发明进行详细地说明。本发明不限于这些例子。
(实施例1)
使用了硅(Si)的单晶作为基板。通过真空腔内的RF磁控溅射，由Ti构成的粘着层直接形成于基板的表面整体。形成有粘着层的基板的表面平行于Si的(100)面。基板的厚度为625μm。基板的厚度均匀。粘着层的厚度为0.03μm。粘着层的厚度均匀。真空腔内的气氛是Ar气。粘着层的形成过程中的基板的温度维持在300℃。使用了Ti单质作为溅射靶材。溅射靶材的每单位面积的输入功率为9.87W/cm2。
通过真空腔内的RF磁控溅射，由金属Me构成的第一电极层(下部电极层)直接形成于粘着层的表面整体。使用了Me的单质作为溅射靶材料。在实施例1中使用的Me在下述表1中示出。第一电极层的厚度为0.3μm。第一电极层的厚度均匀。真空腔内的气氛是Ar气。第一电极层的形成过程中的基板和粘着层的温度维持在300℃。溅射靶材的每单位面积的输入功率为9.87W/cm2。在真空腔内，第一电极层在500℃下进行了退火。进行了退火的真空腔内的气氛是Ar和N2的混合气体。退火的持续时间为10分钟。
通过真空腔内的RF磁控溅射，压电薄膜直接形成于第一电极层的表面整体。压电薄膜由包含Md和Mt的氮化铝构成。实施例1的氮化铝中所包含的Md和Mt在下述表1中示出。使用了Al-Ca合金和Ge金属作为溅射靶材。在实施例1中，以使([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])与60原子％一致的方式，调整了各溅射靶材的输入功率(电力密度)。([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])的定义如上所述。下文中记载的[Md+Mt]是指([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])。压电薄膜的厚度均匀。真空腔内的气氛是Ar和N2的混合气体。压电薄膜的形成过程中的基板、粘着层和第一电极层的温度维持在300℃。压电薄膜的厚度为1.3μm。
第二电极层以与第一电极层相同的方法，直接形成于压电薄膜的表面整体。第二电极层的组成与第一电极层的组成完全相同。第二电极层的厚度与第一电极层的厚度完全相同。第二电极层的厚度均匀。
通过以上的步骤，制作了具有基板、直接层叠于基板的粘着层、直接层叠于粘着层的第一电极层、直接层叠于第一电极层的压电薄膜、以及直接层叠于压电薄膜的第二电极层的层叠体。接着，通过光刻，进行了基板上的层叠结构的图案化。在图案化后，通过切割将层叠体整体切断，得到了四边形形状的实施例1的压电薄膜元件。压电薄膜元件具备基板、直接层叠于基板的粘着层、直接层叠于粘着层的第一电极层、直接层叠于第一电极层的压电薄膜、以及直接层叠于压电薄膜的第二电极层。压电薄膜的表面分别与基板的表面和第一电极层的表面平行。
通过上述的方法，制作了多个实施例1的压电薄膜元件。实施了关于这些压电薄膜元件的以下的分析和测量。
[压电薄膜的组成]
压电薄膜的组成通过荧光X射线分析法(XRF法)和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)来特定。XRF法中使用了Rigaku Corporation制造的波长分散型荧光X射线装置(AZX-400)。LA-ICP-MS法中使用了Agilent公司制造的分析装置(7500s)。
基于XRF法的分析的结果，确认了压电薄膜由下述化学式A表示的氮化铝构成。下述化学式A中的α+β等于[Md+Mt]/100。[Md+Mt]的定义如上所述。α/β为1.0。
Al{1-(α+β)}MdαMtβN (A)
[晶体结构]
在形成第二电极层之前，第一电极层和压电薄膜各自的晶体结构通过X射线衍射(XRD)法来特定。在XRD法中，使用了Rigaku Corporation制造的多功能X射线衍射装置(SmartLab)。在直接形成于第一电极层的压电薄膜的表面，进行了使用了上述的X射线衍射装置的
Figure BDA0002744846970000182
扫描和2θχ扫描。基于XRD法的分析的结果，确认了压电薄膜具有纤锌矿型结构。纤锌矿型结构的(001)面平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面。第一电极层(金属Me)具有下述表1所示的晶体结构。下述表1所示的Me的晶面平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面。
根据通过XRD法测得的氮化铝的晶格常数aW，计算出氮化铝的晶格长度LALN。根据通过XRD法测得的金属Me的晶格常数aF，计算出金属Me的晶格长度LMETAL。实施例1的LALN表示为31/2×aW。实施例1的LMETAL表示为21/2×aF。根据LALN和LMETAL，计算出晶格失配度ΔL。如上所述，ΔL被定义为(LALN-LMETAL)/LMETAL。正的ΔL意味着LALN比LMETAL长。负的ΔL意味着LALN比LMETAL短。实施例1的LALN、LMETAL以及ΔL在下述表1中示出。
[残余应力σ]
通过以下的步骤，计算出压电薄膜中的残余应力σ(单位：MPa)。首先，测量即将形成压电薄膜之前的基板的曲率半径RBefore(单位：μm)。即将形成压电薄膜之前的基板是指由基板、粘着层和第一电极层构成的层叠体。接着，测量了形成有压电薄膜之后的基板的曲率半径RAfter(单位：μm)。形成有压电薄膜之后的基板是指由基板、粘着层、第一电极层和压电薄膜构成的层叠体。在RBefore和RAfter各自的测量中，使用了KLA-Tencor公司制造的测量装置(P-16轮廓仪)。然后，基于下述数学式1(斯托尼公式)，计算出残余应力σ。
Figure BDA0002744846970000181
数学式1中的E是由硅构成的基板的杨氏模量(单位：GPa)。νs是由硅构成的基板的泊松比。tsub.(单位：μm)是由硅构成的基板的厚度。tfilm(单位：μm)是压电薄膜的厚度。
正的残余应力σ是拉应力。负的残余应力σ是压应力。实施例1的残余应力σ在下述表1中示出。
<破坏率RBREAK>
通过上述的方法，制造了板状的实施例1的压电薄膜元件。板状的压电薄膜元件的尺寸为100mm×100mm。将该压电薄膜元件切断，制作了100个10mm见方的样品。各个样品是芯片状的压电薄膜元件。通过光学显微镜对100个样品中的在压电薄膜中形成了裂纹的样品的数量n进行计数。破坏率RBREAK被定义为n％。实施例1的破坏率RBREAK在下述表1中示出。
<摇摆曲线的半宽>
在形成第二电极层之前，测量了压电薄膜的(002)面的摇摆曲线。在测量中，使用了上述的X射线衍射装置。摇摆曲线的测量范围(衍射角2θ的范围)为34～37°。测量间隔为0.01°。测量速度为2.0°/分钟。实施例1的压电薄膜的(002)面的摇摆曲线的半高宽FWHM在下述表1中示出。FWHM越小，则氮化铝的结晶性越高，并且在第一电极层的表面的法线方向上取向的氮化铝的(002)面越多。
<压电常数d33>
测量了实施例1的压电薄膜的压电常数d33(单位：pC/N)。压电常数d33的测量的详情如下。实施例1的压电常数d33(3点测量点平均值)在下述表1中示出。
测量装置：Piezotest公司制造的d33测量仪(PM200)
频率：110Hz
夹持压力：0.25N
(实施例2～16以及比较例1～4)
在实施例2～16和比较例1～4各自的第一电极层的制作中，使用了由下述表1所示的金属Me构成的溅射靶材。
实施例2～16以及比较例1～4各自的氮化铝中所包含的Md和Mt在下述表1中示出。
在实施例2、3、8、9、14～16、比较例1和2各自的压电薄膜的制作中，使用了Al金属、Mg金属以及Zr金属作为溅射靶材。在实施例2、3、8、9、14～16、以及比较例1和2各自的压电薄膜的制作中，以使[Md+Mt]与下述表1所示的值一致的方式，调整了各溅射靶材的输入功率。
在实施例4、5、10、11以及比较例3各自的压电薄膜的制作中，使用了Al金属、Mg金属和Hf金属作为溅射靶材。在实施例4、5、10、11以及比较例3各自的压电薄膜的制作中，以使[Md+Mt]与下述表1所示的值一致的方式，调整了各溅射靶材的输入功率。
在实施例6、7、12、13以及比较例4各自的压电薄膜的制作中，使用了Al金属、Mg金属和Ti金属作为溅射靶材。在实施例6、7、12、13以及比较例4各自的压电薄膜的制作中，以使[Md+Mt]与下述表1所示的值一致的方式，调整了各溅射靶材的输入功率。
除了上述的事项外，以与实施例1相同的方法，分别制作了实施例2～16以及比较例1～4的压电薄膜元件。以与实施例1相同的方法，实施了分别以实施例2～16以及比较例1～4的压电薄膜元件为对象的分析和测量。
在实施例2～16以及比较例1～4中的任一种的情况下，均确认了压电薄膜由下述化学式A表示的氮化铝构成。在实施例2～16以及比较例1～4中的任一种的情况下，下述化学式A中的α+β均等于[Md+Mt]/100，α/β均为1.0。
Al{1-(α+β)}MdαMtβN (A)
在实施例2～16以及比较例1～4中的任一种的情况下，压电薄膜均具有纤锌矿型结构。在实施例2～16以及比较例1～4中的任一种的情况下，纤锌矿型结构的(001)面均平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面。在实施例2～16以及比较例1～4的各个情况下，第一电极层(金属Me)具有下述表1所示的晶体结构。在实施例2～16以及比较例1～4的各个情况下，下述表1所示的Me的晶面平行于第一电极层的与压电薄膜相接的表面。
在实施例2的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例3的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例4的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例5的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例6的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例7的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例8的情况下，LALN表示为aW，LMETAL表示为aH。
在实施例9的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例10的情况下，LALN表示为aW，LMETAL表示为aH。
在实施例11的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例12的情况下，LALN表示为aW，LMETAL表示为aH。
在实施例13的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在实施例14的情况下，LALN表示为71/2×aW，LMETAL表示为2×21/2×aB。
在实施例15的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为2×aB。
在实施例16的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为2×aH。
在比较例1的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在比较例2的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在比较例3的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
在比较例4的情况下，LALN表示为31/2×aW，LMETAL表示为21/2×aF。
实施例2～16以及比较例1～4各自的LALN、LMETAL和晶格失配度ΔL在下述表1中示出。
实施例2～16以及比较例1～4各自的残余应力σ在下述表1中示出。
实施例2～16以及比较例1～4各自的破坏率RBREAK在下述表1中示出。
实施例2～16以及比较例1～4各自的摇摆曲线的半高宽FWHM在下述表1中示出。
实施例2～16以及比较例1～4各自的压电常数d33在下述表1中示出。
残余应力σ优选为负的值(即，压应力)。σ的目标值为-1500MPa以上且0MPa以下。
破坏率RBREAK优选较小。RBREAK的目标值为0％以上且5％以下。
摇摆曲线的半高宽FWHM优选较小。FWHM的目标值为0°以上且12°以下。
压电常数d33优选较大。d33的目标值为6.0pC/N以上。
下述表1中记载的品质A是指σ、RBREAK、FWHM和d33四个值中的四个值已达到目标值。
下述表1中记载的品质B是指σ、RBREAK、FWHM和d33四个值中的三个值已达到目标值。
下述表1中记载的品质C是指σ、RBREAK、FWHM和d33四个值中的两个值已达到目标值。
下述表1中记载的品质D是指σ、RBREAK、FWHM和d33四个值中的一个以下的值已达到目标值。
Figure BDA0002744846970000231
产业上利用的可能性
根据本发明，可以提供一种抑制压电薄膜的破坏的压电薄膜元件。

Claims (9)

1.一种压电薄膜元件，其特征在于，
具备：
第一电极层；以及
压电薄膜，其直接重叠于所述第一电极层，
所述第一电极层包含具有晶体结构的金属Me，
所述压电薄膜包含具有纤锌矿型结构的氮化铝，
所述氮化铝包含二价的金属元素Md、以及四价的金属元素Mt，
[Al]是所述氮化铝中的铝的含量，
[Md]是所述氮化铝中的所述金属元素Md的总含量，
[Mt]是所述氮化铝中的所述金属元素Mt的总含量，
([Md]+[Mt])/([Al]+[Md]+[Mt])为36原子％以上且70原子％以下，
LALN是大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的表面的方向上的所述氮化铝的晶格长度，
LMETAL是大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面的方向上的所述金属Me的晶格长度，
LALN比LMETAL长。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述金属Me的所述晶体结构是面心立方晶格结构、体心立方晶格结构、或者六方最密堆积结构。
3.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述纤锌矿型结构的(001)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
所述金属Me的所述晶体结构是面心立方晶格结构，
所述面心立方晶格结构的(111)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
aW是所述纤锌矿型结构的所述(001)面内的元素的最小间隔，
aF是所述面心立方晶格结构的晶格常数，
所述LALN表示为31/2×aW，
所述LMETAL表示为21/2×aF。
4.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述纤锌矿型结构的(001)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
所述金属Me的所述晶体结构是体心立方晶格结构，
所述体心立方晶格结构的(110)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
aW是所述纤锌矿型结构的所述(001)面内的元素的最小间隔，
aB是所述体心立方晶格结构的晶格常数，
所述LALN表示为71/2×aW，并且所述LMETAL表示为2×21/2×aB，
或者，所述LALN表示为31/2×aW，并且所述LMETAL表示为2×aB。
5.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述纤锌矿型结构的(001)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
所述金属Me的所述晶体结构是六方最密堆积结构，
所述六方最密堆积结构的(001)面大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
aW是所述纤锌矿型结构的所述(001)面内的元素的最小间隔，
aH是所述六方最密堆积结构的所述(001)面内的所述金属Me的最小间隔，
所述LALN等于aW，并且所述LMETAL等于aH，
或者，所述LALN表示为31/2×aW，并且所述LMETAL表示为2×aH。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述氮化铝至少包含镁作为所述金属元素Md，
所述氮化铝包含选自锆、铪和钛中的至少一种元素作为所述金属元素Mt。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述晶格失配度ΔL定义为(LALN-LMETAL)/LMETAL，
所述晶格失配度ΔL大于0％且为8％以下。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的压电薄膜元件，其特征在于，
在所述压电薄膜中产生压应力，
所述压应力大致平行于所述第一电极层的与所述压电薄膜相接的所述表面，
所述压应力大于0MPa且为1500MPa以下。
9.根据权利要求1～5中任一项所述的压电薄膜元件，其特征在于，
还具备与所述压电薄膜重叠的第二电极层，
所述压电薄膜位于所述第一电极层与所述第二电极层之间。
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